分享：4Cr5Mo2V钢与4Cr5MoSiV1钢组织和性能的对比

4Cr5MoSiV1钢是一种中耐热韧性钢,主要含有Cr、Mo、V等元素,其具有良好的抗冷热疲劳性能,是目前最具代表性的热作模具钢[1]。4Cr5Mo2V钢是在4Cr5MoSiV1钢基础上开发的新一代高性能热作模具钢。4Cr5Mo2V钢较4Cr5MoSiV1钢的Si、V元素含量低,Mo元素含量高[2]。降低Si元素的含量,提高Mo元素的含量是压铸用热作模具钢合金化设计上的一种趋势[3]。4Cr5Mo2V钢具有良好的热强性、淬透性、耐磨性,以及较高的韧性[4]。 

4Cr5Mo2V钢和4Cr5MoSiV1钢都被广泛应用于制作压铸模、热锻模、热挤压等热作模具[5-6],目前对这两种钢组织和性能的对比情况研究较少。笔者对4Cr5Mo2V钢和4Cr5MoSiV1钢的钢锭铸态组织、锻材成品组织及冲击韧性等方面进行对比分析,分析结果对实际生产具有一定的参考意义。 

1.   试验材料与方法

1.1   试验材料

试验材料为采用电炉+钢包精炼炉+真空脱气炉+电渣重熔工艺生产的钢锭,试样材料的化学成分如表1所示。钢锭经高温扩散、多向锻造、超细化等工艺处理,模块成品尺寸（长度×宽度）为（200~300） mm×（400~800） mm。 

1.2   试验方法

分别在电渣锭冒口端横截面的边缘、半径、心部位置取金相试样,在模块横截面心部取金相试样,试样经预磨、抛光、腐蚀处理,利用光学显微镜对试样进行金相检验。 

分别将4Cr5Mo2V钢和4Cr5MoSiV1钢电渣锭锻制成宽度为600 mm,厚度分别为250,260,270,280 mm的模块。分别沿4种不同厚度的模块截面中心部位切取横向夏比无缺口冲击试样,将4组试样分别编号为1~4。将试样在（1 030±10） ℃下保温30 min,然后进行油淬和二次高温回火。经热处理后试样的硬度为（45±1） HRC。依据GB/T 229—2020 《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》对试样进行冲击试验。利用扫描电镜（SEM）和能谱仪对4Cr5Mo2V钢和4Cr5MoSiV1钢调质组织进行分析。 

应用JMatPro软件对平衡条件下4Cr5Mo2V钢和4Cr5MoSiV1钢中存在的相及其相对含量进行计算。 

2.   试验结果与分析

2.1   钢锭的铸态组织

4Cr5Mo2V钢锭和4Cr5MoSiV1钢锭横截面不同位置的显微组织形貌分别如图1,2所示。由图1,2可知：4Cr5Mo2V钢锭和4Cr5MoSiV1钢锭的表面到中心均存在成分偏析,且偏析程度越来越严重；两种钢锭的组织不均匀,黑色合金偏析区域中存在亮白色大块共晶碳化物,4Cr5Mo2V钢锭中的共晶碳化物含量低于4Cr5MoSiV1钢锭。大块共晶碳化物和偏析会显著降低模具钢的塑性,尤其是模块心部横截面方向的性能。 

图  1  4Cr5Mo2V钢锭横截面不同位置的显微组织形貌

图  2  4Cr5MoSiV1钢锭横截面不同位置的显微组织形貌

2.2   锻造成品的组织和冲击性能

2.2.1   退火组织和带状偏析

4Cr5Mo2V钢和4Cr5MoSiV1钢经高温扩散、锻造、超细化处理后的带状和球化组织均较好,碳化物呈球状均匀分布在铁素体基体上（见图3,4）,按照NADCA#207《优质和高级优质H13钢及其压铸模具钢的热处理验收标准》判定为合格。 

图  3  4Cr5Mo2V钢和4Cr5MoSiV1钢的带状组织形貌

图  4  4Cr5Mo2V钢和4Cr5MoSiV1钢的退火组织形貌

2.2.2   冲击韧性

图5为4组不同厚度4Cr5Mo2V钢和4Cr5MoSiV1钢试样的横向无缺口冲击测试结果。由图5可知：4Cr5Mo2V钢的冲击韧性较4Cr5MoSiV1钢提高约30%。 

图  5  4组不同厚度4Cr5Mo2V钢和4Cr5MoSiV1钢试样的横向无缺口冲击测试结果

2.2.3   扫描电镜及能谱分析

4Cr5Mo2V钢和4Cr5MoSiV1钢调质组织的SEM形貌如图6所示。由图6可知：4Cr5Mo2V钢调质组织均匀,4Cr5MoSiV1调质组织中仍可见一次碳化物。能谱分析结果显示,4Cr5MoSiV1钢调质组织中一次碳化物主要含有V元素,还有少量Cr、Mo元素（见图7）。 

图  6  4Cr5Mo2V钢和4Cr5MoSiV1钢调质组织的SEM形貌

图  7  4Cr5MoSiV1钢组织中A点的能谱分析结果

2.3   相图计算及分析

利用JMatPro软件计算平衡条件下4Cr5Mo2V钢和4Cr5MoSiV1钢在各温度下的组成相及其相对含量,结果分别如图8,9所示。由图8,9可知：4Cr5Mo2V钢和4Cr5MoSiV1钢中MC相完全溶于基体的温度分别为1 040,1 100 ℃,MC相主要含有V元素,还有Cr、Mo元素；V元素含量降低,Mo元素含量升高,改变了4Cr5Mo2V钢中MC相的稳定性,使其熔入奥氏体的温度较4Cr5MoSiV1钢降低了60 ℃；当温度为300 ℃时,4Cr5Mo2V钢中MC相的相对含量为0.3%,当温度为890 ℃时,4Cr5Mo2V钢中MC相的相对含量最高,为0.69%；当温度为300 ℃时,4Cr5MoSiV1钢中MC相的相对含量为0.54%,当温度为900 ℃时,4Cr5MoSiV1钢中MC相的相对含量最高,达到1.28%；4Cr5Mo2V钢中MC相液析碳化物的溶解温度和含量均低于4Cr5MoSiV1钢。模拟结果显示4Cr5Mo2V钢调质组织中未见一次碳化物,4Cr5MoSiV1钢含有以V元素为主的一次碳化物,与SEM分析结果一致。 

图  8  平衡条件下4Cr5Mo2V钢中组成相的相对含量

图  9  平衡条件下4Cr5MoSiV1钢中组成相的相对含量

3.   结论

（1）4Cr5Mo2V钢锭铸态组织中的偏析程度及一次碳化物含量低于4Cr5MoSiV1钢。 

（2）两种钢的带状组织和球化组织均符合退火组织的标准要求；4Cr5Mo2V钢调质组织均匀,4Cr5MoSiV1钢调质组织中存在以V元素为主的一次碳化物。 

（3）4Cr5Mo2V钢中的V元素含量低于4Cr5MoSiV1钢,Mo元素含量高于4Cr5MoSiV1钢,从而使钢中MC相的稳定性发生改变。4Cr5Mo2V钢中高熔点MC相液析碳化物的溶解温度和含量较4Cr5MoSiV1钢低。液析碳化物含量减少,有助于提升材料的冲击韧性,4Cr5Mo2V钢的冲击韧性较4Cr5MoSiV1钢提高约30%。 

文章来源——材料与测试网